CN105252427A - 一种硬质砂轮以及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硬质砂轮以及制备方法，属于硬质模具的技术领域。本发明的硬质砂轮由以下重量份的组分组成：铜粉50~70份、单晶刚玉10~25份、立方氮化硼7~15份、酚醛树脂10~25份、环氧树脂10~17份、二硫化钼0.5~2.5份、氟铝酸钾2.5~6份、三氧化二铁2.5~6份、氧化锌1.5~4份、氧化铝1.5~4份、陶瓷釉8~15份。本发明还提供了上述硬质砂轮的制备方法将上述配方的组分混合均匀后、刮平、压模，然后进行热处理和压力变化处理以得到所需尺寸的砂轮。由上述方法制备得到的砂轮不易变形、耐热性好，有很高的耐磨性，加入金属粉末导热快，砂轮的强度和硬度高适合精磨、超精磨、螺纹磨和珩磨。

Description

一种硬质砂轮以及其制备方法

技术领域

本发明公开一种硬质砂轮及其制备方法，属于硬质模具技术领域。

背景技术

砂轮又称固结磨具，砂轮是由结合剂将普通磨料固结成一定形状(多数为圆形，中央有通孔)，并具有一定强度的固结磨具。其一般由磨料、结合剂和气孔构成，这三部分常称为固结磨具的三要素。按照结合剂的不同分类，常见的有陶瓷砂轮、树脂砂轮、橡胶砂轮。砂轮是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等。

砂轮是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥和焙烧而制成的多孔体。由于磨料、结合剂及制造工艺不同，砂轮的特性差别很大，因此对磨削的加工质量、生产率和经济性有着重要影响。砂轮的特性主要是由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等因素决定。

磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。砂轮中用以粘结磨料的物质称为结合剂，砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要决定于结合剂的性能。常用的结合剂有：陶瓷(耐热性、耐腐蚀性好、气孔率大、易保持轮廓、弹性差)，应用广泛，适用于V＜35m/s的各种成形磨削、磨齿轮、磨螺纹等。树脂强度高、弹性大、耐冲击、坚固性和耐热性差、气孔率小；适用于V＞50m/s，可制成薄片砂轮，用于磨槽、切割等。橡胶的强度和弹性更高、气孔率小、耐热性差、磨粒易脱落；适用于无心磨的砂轮和导轮、开槽和切割的薄片砂轮、抛光砂轮等。

砂轮的硬度是指砂轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难以程度。砂轮的硬度软，表示砂轮的磨粒容易脱落，砂轮的硬度硬，表示磨粒较难脱落。砂轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。同一种磨料可以做成不同硬度的砂轮，它主要决定于结合剂的性能、数量以及砂轮制造的工艺、磨削与切削的显著差别是砂轮具有“自锐性”，选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性。

砂轮的组织是指组成砂轮的磨粒、结合剂、气孔三部分体积的比例关系。通常以磨粒所占砂轮体积的百分比来分级。

砂轮的外径应尽可能选择大一些，以提高砂轮的圆周速度，这样对提高磨削加工生产率与表面粗糙度有利。此外，在机床刚度及功率许可的条件下，如选用宽度较大的砂轮，同样能收到提高生产率和降低粗糙度的效果，但是在磨削热敏性高的材料时，为避免工件表面的烧伤和产生裂纹，砂轮的宽度适当减小。

发明内容：

本发明提供一种成本低、制备方法简便且耐磨的硬质砂轮。

上述硬质砂轮中各组分的重量份比：

铜粉50~70份

单晶刚玉10~25份

立方氮化硼7~15份

酚醛树脂10~25份

环氧树脂10~17份

二硫化钼0.5~2.5份

氟铝酸钾2.5~6份

三氧化二铁2.5~6份

氧化锌1.5~4份

氧化铝1.5~4份

陶瓷釉8~15份。

优选的，上述各组分的重量百分比为：

铜粉66份

单晶刚玉17份

立方氮化硼12份

酚醛树脂18份

环氧树脂12份

二硫化钼1.5份

氟铝酸钾4份

三氧化二铁5份

氧化锌2.5份

氧化铝3份

陶瓷釉12份。

本发明以铜粉、单晶刚玉和立方氮化硼为磨料，酚醛树脂和环氧树脂为结合剂，二硫化钼、氟铝酸钾、三氧化二铁、氧化锌和氧化铝为添加剂，增加陶瓷釉以提高砂轮的耐磨性。

具体地，上述磨料的粒度为20~40μm。

立方结构的氮化硼，分子式为BN，其晶体结构类似金刚石，硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕，常用作磨料和刀具材料。

立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，且有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性。

酚醛树脂又称电木，电木粉。原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚醛或其衍生物缩聚而得。本发明选用碱性酚醛树脂，碱性酚醛树脂主要做铸造黏结剂。酚醛树脂最重要的特征就是耐高温，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性。酚醛树脂是一种多功能，与各种各样的有机和无机调料都能相容的物质。热处理会提高固化树脂的玻璃化温度，可以进一步改善树脂的各项性能。玻璃化温度与结晶固体如聚丙烯的熔化状态相似。

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶的具有三向网状结构的高聚物。凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。

二硫化钼是重要的固体润滑剂，特别适用于高温高压下。二硫化钼用于摩擦材料主要功能是低温时减摩，高温时增摩，烧失量小，在摩擦材料中易挥发。二硫化钼是经过化学提纯综合反应而得，其pH值为7-8，略显碱性。它覆盖在摩擦材料的表面，能保护其他材料，防止它们被氧化，尤其是使其他材料不易脱落，贴附力增强。

磨料的粒度主要与加工表面粗糙度和生产率有关。粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度较大，砂轮不易阻塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般而言，磨粒越细、磨削表面粗糙度越好。

本发明上述粒度的磨料适合的范围为精磨、超精磨、螺纹磨和珩磨。

上述加入陶瓷釉的浓度为68~70波美，其中釉的比重为1.83~1.88Kg/L。

本发明的上述砂轮的磨粒率为61~63%，应用于精磨和成型磨。

本发明的另一个目的是提供了上述砂轮的制备方法：

1)按照上述配方将各组分装入混料机中，混合1-2小时，充分混匀以形成混合物；

2)混合物搅拌均匀后刮平，盖上模板后压制到所需厚度；然后进行热处理和压力变化处理。

进一步地，将混料压制成所需的厚度后，先由室温升温至200~350℃并加压至2~5MPa，保温保压2~5min；然后升温680~720℃，其中压力升至10~15MPa，保温保压1~2小时，然后降温至100~140℃，同时压力减压至2~5MPa，然后升温至700~800℃，压力保持为11~13MPa，保持此温度和压力下20~40min；最后降温减压至温度为室温，压力调整至标准大气压。

具体地，上述由室温升温至200~350℃的升温速率为5~10℃/min。

具体地，上述由温度为200~350℃升温至680~720℃的升温速率为3~7℃/min。

具体地，上述由温度为680~720℃降温至100~140℃的降温速率为5~7℃/min。

具体地，上述由温度为100~140℃升温至700~800℃的升温速率为3~7℃/min。

具体地，上述由温度为700~800℃降温至室温的降温速率为3~6℃/min。

上述步骤2）的缓慢升温与缓慢降温以及加压和减压操作是为了使得混合物成型为砂轮更加密实、使得制备得到的砂轮的耐磨性增强。

热压完毕后冷却至成型砂轮的密度2.50-2.55g/cm³。

本发明上述制备砂轮的步骤有效提高了砂轮的自锐性能，减轻了砂轮重量，便于安装和设定调整，提高了砂轮的组织均匀性和平衡性能。

本申请的硬质砂轮为高硬磨料-立方氮化硼，其硬度为8000~9000HV，其硬度仅次于金刚石，耐磨性和导电性好，发热量小；磨销硬质合金、不锈钢、高合金钢等难加工材料。

技术效果：

本发明中结合剂采用陶瓷料；可以使砂轮不易变形，耐热性好，具有很高的耐磨性；各种陶瓷料粘结性能好，可以有效防止裂纹，解决了现有砂轮耐热性差，易变形的问题。同时加入陶瓷釉解决了现有砂轮粘结性能不佳，磨料易脱落的问题。本发明添加了铜粉金属粉末，不但提高了砂轮的导热性能，散热快，磨削温度低，而且增大了砂轮的硬度和强度，减少刚性磨削形成的裂纹，其磨削效率和使用寿命远远超过传统砂轮。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本申请的技术方案作进一步阐述，其中所涉及的具体参数和条件不作为本申请技术方案的限定，在上述技术方案的基础上所做的任何改进和变换应属于本申请技术方案的保护范围之内。

实施例1

制备砂轮的原料：各组分的重量份为铜粉50份、单晶刚玉15份、立方氮化硼9份、酚醛树脂15份、环氧树脂12份、二硫化钼1.5份、氟铝酸钾4份、三氧化二铁5份、氧化锌3份、氧化铝2份、陶瓷釉12份。陶瓷釉的波美度为68。将上述重量份组成的组分装入混料机中，以搅拌速度为500~600转/分混合搅拌1小时，以形成混合物；搅拌后刮平，盖上模板压制到厚度为5cm，以升温速率为3℃/min先升温至240℃并加压至4MPa，保温保压4min；然后以升温速率为5℃/min升温至700℃，其中压力也升至14MPa，保温保压1.2小时，然后以降温速率为5℃/min降温至110℃，同时压力减压至3MPa，然后再以升温速率为7℃/min升温至780℃，同时压力保持为12MPa，保持此温度和压力下30min；最后降温减压至温度为室温，压力调整至标准大气压。最后按照上述工艺制备得到的砂轮的直径为15cm。

镍铬钢是一种难磨削的材料，由本发明制备得到砂轮进行磨削试验。在工作台速度为150mm/min和200mm/min时，砂轮都表现出高的砂轮磨损速率。同时在随着切削深度的提高，而砂轮仍然具有较低的磨削能。

实施例2

制备砂轮的原料：各组分的重量份为铜粉62份、单晶刚玉19份、立方氮化硼12份、酚醛树脂20份、环氧树脂15份、二硫化钼2份、氟铝酸钾5份、三氧化二铁4份、氧化锌2.5份、氧化铝3份、陶瓷釉13份。陶瓷釉的波美度为70。将上述重量份组成的组分装入混料机中，以搅拌速度为800~1000转/分混合搅拌0.5小时，以形成混合物；搅拌后刮平，盖上模板压制到厚度为6cm，以升温速率为4℃/min先升温至300℃并加压至3.5MPa，保温保压3min；然后以升温速率为6℃/min升温至720℃，其中压力也升至15MPa，保温保压1.5小时，然后以降温速率为5℃/min降温至100℃，同时压力减压至4MPa，然后再以升温速率为6℃/min升温至750℃，同时压力保持为11MPa，保持此温度和压力下25min；最后降温减压至温度为室温，压力调整至标准大气压。最后按照上述工艺制备得到的砂轮的直径为18cm。

上述配方组成和工艺制备得到的砂轮的硬度为Q级别，磨料的粒径为40μm。

实施例3

制备砂轮的原料：各组分的重量份为铜粉65份、单晶刚玉25份、立方氮化硼12份、酚醛树脂25份、环氧树脂12份、二硫化钼1.5份、氟铝酸钾4份、三氧化二铁3份、氧化锌2.5份、氧化铝2.5份、陶瓷釉12份。陶瓷釉的波美度为70。将上述重量份组成的组分装入混料机中，以搅拌速度为900~1200转/分混合搅拌0.5小时，以形成混合物；搅拌后刮平，盖上模板压制到厚度为7cm，以升温速率为6℃/min先升温至300℃并加压至4.5MPa，保温保压4min；然后以升温速率为7℃/min升温至700℃，其中压力也升至14MPa，保温保压1.0小时，然后以降温速率为5℃/min降温至120℃，同时压力减压至4.0MPa，然后再以升温速率为5℃/min升温至750℃，同时压力保持为12MPa，保持此温度和压力下30min；最后降温减压至温度为室温，压力调整至标准大气压。最后按照上述工艺制备得到的砂轮的直径为20cm。

上述配方组成和工艺制备得到的砂轮的硬度为Q级别，上述磨料的粒径为30μm。

Claims (10)

1.一种硬质砂轮，其特征在于：其由以下重量份的组分组成：铜粉50~70份、单晶刚玉10~25份、立方氮化硼7~15份、酚醛树脂10~25份、环氧树脂10~17份、二硫化钼0.5~2.5份、氟铝酸钾2.5~6份、三氧化二铁2.5~6份、氧化锌1.5~4份、氧化铝1.5~4份、陶瓷釉8~15份。

2.根据权利要求1所述的一种硬质砂轮，其特征在于：其由以下重量份的组分组成：铜粉66份、单晶刚玉20份、立方氮化硼12份、酚醛树脂18份、环氧树脂12份、二硫化钼1份、氟铝酸钾5份、三氧化二铁5份、氧化锌3份、氧化铝3份、陶瓷釉11份。

3.根据权利要求1或2所述的一种硬质砂轮，其特征在于：上述陶瓷釉的浓度为68~70波美。

4.权利要求1所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：

1)按照上述配方将各组分装入混料机中，混合1-2小时，充分混匀以形成混合物；

2)混合物搅拌均匀后刮平，盖上模板后压制到所需厚度；然后进行热处理和压力变化处理。

5.根据权利要求4所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述热处理和压力变化处理，是将混料压制成所需的厚度后，先由室温升温至200~350℃并加压至2~5MPa，保温保压2~5min；然后升温至680~720℃，其中压力升至10~15MPa，保温保压1~2小时，然后降温至100~140℃，同时压力减压至2~5MPa，然后升温至700~800℃，压力保持为11~13MPa，保持此温度和压力下20~40min；最后降温至室温，同时压力调整至标准大气压。

6.根据权利要求5所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述由室温升温至200~350℃的升温速率为5~10℃/min。

7.根据权利要求5所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述由温度为200~350℃升温至680~720℃的升温速率为3~7℃/min。

8.根据权利要求5所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述由温度为680~720℃降温至100~140℃的降温速率为5~7℃/min。

9.根据权利要求5所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述由温度为100~140℃升温至700~800℃的升温速率为3~7℃/min。

10.根据权利要求5所述的一种硬质砂轮的制备方法，其特征在于：所述由温度为700~800℃降温至室温的降温速率为3~6℃/min。